一次 JVM 調優的筆記

1. JVM Tuning基礎知識

1.1 Java堆結構

Java堆可以處於物理上不連續的記憶體空間上，只要邏輯上是連續的即可。Java堆就是各種物件分配和儲存的記憶體空間，執行緒間共享。Java堆分為Eden區，Survivor區，tenured區和Permanent區，如下圖所示。

Java堆的分配原則如下：

• Java堆分佈如下圖所示，新的類的例項大部分在Eden（之所以用Eden這個詞也就是表示初創起始的意思）區分配。
• Eden區滿的時候，或者需要GC時，依然存活的物件將被複制到Survivor區，一共有兩個survivor區，當一個survivor區滿時，依然存活的物件將被複制到另一個survivor區。
• 當survivor區全滿時，從第一個survivor區複製過來的，且此時還存活的物件將被複制到Tenured Generation（年老代）
• Perm Generation用於存放靜態檔案，持久代大小可以通過MaxPermSize進行設定。

Perm Generation是JVM的駐留記憶體，用於存放JDK自身攜帶的CLASS，Interface的後設資料等。被裝載進此區域的資料是不會被垃圾回收器GC回收掉的，關閉JVM時，釋放此區域所控制的記憶體。

Java物件的宣告週期在堆中從Young到Tenured，這個期間從Eden誕生到Tenured死亡。當EDEN區不夠用時，將觸發 minor gc，GC會對EDEN區進行垃圾回收，將不再使用的物件進行銷燬，同時如果發現物件還被其他物件引用，則將物件移動到survivor區，後面依此類 推，當Tenured區發生GC時，稱為major gc，由於java中大部分物件的生命週期都很短，所以GC一般發生在Eden區，因此minor gc發生的頻率比major gc要高很多。如果最後整個堆空間都滿了，則會爆出異常JVM對空間溢位：java.lang.OutOfMemoryError: java heap space。

1.2 JVM GC演算法列舉

Mark-sweep演算法

即標記回收演算法，將需要回收的物件標記，再統一回收。這種演算法適合Perm代的物件，以為Perm代的儲存空間比較大，需要回收的又不多。

Copying演算法

即複製演算法，直接拷貝。適合Eden區的物件向survivor區拷貝，因為Eden區的物件大部分都需要GC，而且Eden區的容量小。

Mark-compact演算法

即標記整理演算法，與標記清除演算法不同，標記整理演算法避免了記憶體碎片問題，它將所有存活的物件向記憶體的一端移動，“整理”完成後，一端是存活的物件一端是可回收記憶體，然後直接清除可回收記憶體。

1.3 GC收集器

Serial收集器

最基本、最古老的收集器。這是一個單執行緒收集器，GC過程中，應用會被停掉，即stop-the-world。

Parnew收集器

實現程式碼與serial差不多，不同的是這是一個多執行緒回收器。

Paralled scavenge收集器

Paralled scavenger收集器是一個新生代回收器，使用複製演算法，也是一個多執行緒並行收集器。parallel scavenge收集器專注於提高吞吐量，吞吐量定義為：

吞吐量 = 使用者程式執行時間/（使用者程式執行時間 + 垃圾回收時間）

Serial old收集器

Serial old是Serial收集器的老年代版本。

Parallel old收集器

Parallel Scavenge收集器的老年代版本。使用標記-整理演算法。

CMS（concurrent mark sweep）收集器：併發標記清除收集器，以最短停頓時間為目標的收集器。採用標記—清除演算法實現。

2.VisualVM1實際監控JVM狀態

2.1 常用調優引數列表

主要需要熟悉的是總儲存空間大小，各個區的比例設定，針對不同的區設定不同的回收器和回收演算法。在預設情況下有些選項是不開啟的，因此需要手動配置，並且根據自己應用的情況選擇適當的引數。

引數	描述
–XX:+UseSerialGC	使用序列GC收集器
–XX:+UseParallelGC	使用並行GC收集器
–XX:+UseParallelOldGC	使用parallel old收集器
–XX:+UseConcMarkSweepGC	使用CMS收集器
-Xms	初始狀態堆大小
-Xmx	堆的最大大小
-XX:MaxPermSize=n	設定Permanent區的大小
-XX:NewSize=n	設定Young generation大小
-XX:NewRatio=n	設定年輕代和年老代的比值

2.2 檢視並分析GC日誌

對於應用程式，在eclipse中可以通過工程屬性增加VM屬性，將GC輸出儲存為日誌檔案。

GC輸出選項：

  -XX:+PrintGC 輸出GC日誌
  -XX:+PrintGCDetails 輸出GC的詳細日誌
  -XX:+PrintGCTimeStamps 輸出GC的時間戳（以基準時間的形式）
  -XX:+PrintGCDateStamps 輸出GC的時間戳（以日期的形式，如 2013-05-04T21:53:59.234+0800）
  -XX:+PrintHeapAtGC 在進行GC的前後列印出堆的資訊
  -Xloggc:../logs/gc.log 日誌檔案的輸出路徑

日誌輸出形式：

Java HotSpot(TM) Client VM (25.45-b02) for windows-x86 JRE (1.8.0_45-b14), built on Apr 10 2015 10:46:40 by "java_re" with MS VC++ 10.0 (VS2010)
Memory: 4k page, physical 2074576k(402044k free), swap 4149152k(1441572k free)
CommandLine flags: -XX:InitialHeapSize=16777216 -XX:MaxHeapSize=268435456 -XX:+PrintGC -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -XX:-UseLargePagesIndividualAllocation 
Heap
 def new generation   total 4928K, used 885K [0x04600000, 0x04b50000, 0x09b50000)
  eden space 4416K,  20% used [0x04600000, 0x046dd5f0, 0x04a50000)
  from space 512K,   0% used [0x04a50000, 0x04a50000, 0x04ad0000)
  to   space 512K,   0% used [0x04ad0000, 0x04ad0000, 0x04b50000)
 tenured generation   total 10944K, used 0K [0x09b50000, 0x0a600000, 0x14600000)
   the space 10944K,   0% used [0x09b50000, 0x09b50000, 0x09b50200, 0x0a600000)
 Metaspace       used 98K, capacity 2242K, committed 2368K, reserved 4480K

編寫了一個簡單的遞迴計算Fibbonaccy數列的程式，並在最後增加了一句System.gc()強制進行Full GC，得到的GC日誌如下，回收後Eden區使用量為0。當伺服器型的應用執行起來時，免不了會有多次GC，通過GC日誌可以比較容易定位效能問題，比如 full gc次數過多等。

{Heap before GC invocations=0 (full 0):
 def new generation   total 4928K, used 1522K [0x04600000, 0x04b50000, 0x09b50000)
  eden space 4416K,  34% used [0x04600000, 0x0477c9e8, 0x04a50000)
  from space 512K,   0% used [0x04a50000, 0x04a50000, 0x04ad0000)
  to   space 512K,   0% used [0x04ad0000, 0x04ad0000, 0x04b50000)
 tenured generation   total 10944K, used 0K [0x09b50000, 0x0a600000, 0x14600000)
   the space 10944K,   0% used [0x09b50000, 0x09b50000, 0x09b50200, 0x0a600000)
 Metaspace       used 259K, capacity 2280K, committed 2368K, reserved 4480K
15.463: [Full GC (System.gc()) 15.477: [Tenured: 0K->776K(10944K), 0.0428098 secs] 1522K->776K(15872K), [Metaspace: 259K->259K(4480K)], 0.0688257 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.07 secs] 
Heap after GC invocations=1 (full 1):
 def new generation   total 4992K, used 0K [0x04600000, 0x04b60000, 0x09b50000)
  eden space 4480K,   0% used [0x04600000, 0x04600000, 0x04a60000)
  from space 512K,   0% used [0x04a60000, 0x04a60000, 0x04ae0000)
  to   space 512K,   0% used [0x04ae0000, 0x04ae0000, 0x04b60000)
 tenured generation   total 10944K, used 776K [0x09b50000, 0x0a600000, 0x14600000)
   the space 10944K,   7% used [0x09b50000, 0x09c122f0, 0x09c12400, 0x0a600000)
 Metaspace       used 259K, capacity 2280K, committed 2368K, reserved 4480K
}
Heap
 def new generation   total 4992K, used 45K [0x04600000, 0x04b60000, 0x09b50000)
  eden space 4480K,   1% used [0x04600000, 0x0460b4a8, 0x04a60000)
  from space 512K,   0% used [0x04a60000, 0x04a60000, 0x04ae0000)
  to   space 512K,   0% used [0x04ae0000, 0x04ae0000, 0x04b60000)
 tenured generation   total 10944K, used 776K [0x09b50000, 0x0a600000, 0x14600000)
   the space 10944K,   7% used [0x09b50000, 0x09c122f0, 0x09c12400, 0x0a600000)
 Metaspace       used 259K, capacity 2280K, committed 2368K, reserved 4480K

測試環境：

JVM: Java HotSpot(TM) Client VM (25.60-b23, mixed mode, sharing)Java: version 1.8.0_60, vendor Oracle Corporation

Step1:

監控介面，能夠直觀地看到JVM各個區域的記憶體使用情況。除了監視虛擬機器，還可以監視應用的記憶體使用情況。嘗試對Eclipse的啟動進行優化，可以很明顯的看到eclipse啟動時，S0的物件向S1拷貝，而old區的使用量略微增加。

還可以監控當前CPU和記憶體負載情況，類載入數量和執行緒數：

Step2：

eclipse安裝目錄下有個.ini檔案，即eclipse的配置檔案，將需要的引數配置填寫進去即可。啟動eclipse後，檢視GC日誌，發現整個啟動過程中共發生了27次GC，其中有3次Full GC，整個啟動過程，我掐指一算大概6~7秒，相當慢了。

通過引數-XX:NewSize=n 將Eden區重設為128m後，再次啟動eclipse發現，這次就只發生了11次GC，下降了一般還多，啟動速度也明顯比原來快了一些。

Step3：

接著使用-Xverify:none禁掉類載入時的位元組碼驗證過程 ，GC次數為10次， 現在啟動速度基本為3秒多左右，比原來快了一倍。

{Heap before GC invocations=10 (full 4):
 def new generation   total 36864K, used 35041K [0x04400000, 0x06bf0000, 0x0eea0000)
  eden space 32832K, 100% used [0x04400000, 0x06410000, 0x06410000)
  from space 4032K,  54% used [0x06410000, 0x06638570, 0x06800000)
  to   space 4032K,   0% used [0x06800000, 0x06800000, 0x06bf0000)
 tenured generation   total 57224K, used 40267K [0x0eea0000, 0x12682000, 0x24400000)
   the space 57224K,  70% used [0x0eea0000, 0x115f2ca0, 0x115f2e00, 0x12682000)
 Metaspace       used 31836K, capacity 33329K, committed 33408K, reserved 34176K
5.742: [GC (Allocation Failure) 5.742: [DefNew: 35041K->4031K(36864K), 0.0193873 secs] 75308K->46613K(94088K), 0.0194649 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.02 secs]

然而這種調優粒度太粗，伺服器上程式需要定位更精確的時間，所以需要更多引數來除錯。